Grundlagenpraktikum Elektrotechnik Teil 1 Versuch 1: Oszilloskop und Wickelkondensator

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1 Lehrstuhl für Elektromagnetische Felder Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Vorstand: Prof. Dr.-Ing. Manfred Albach Grundlagenpraktikum Elektrotechnik Teil 1 Versuch 1: Oszilloskop und Wickelkondensator Name: Datum: Betreuer: Lernziel: Messen mit dem Oszilloskop Kapazität von Platten- und Wickelkondensator Messtechnische Bestimmung der Kapazität Geräte und Werkzeuge: Funktionsgenerator Oszilloskop (2-Kanal), Tastköpfe 1:1 (1X) oder 10:1 (10X) einstellbar Lötkolben Grundplatte mit Lötösen Pinzette Schere, Lineal Verbindungsstrippen Material: Alufolie, zugeschnittene Streifen Teppichklebeband, Tesafilm Kupferfolienstreifen Lötzinn Rundholz Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-1

2 I. Das Oszilloskop 1. Erklärungen zum Oszilloskop V Lesen Sie folgende Erklärungen durch! Das Oszilloskop ist ein Messgerät zum Messen von Spannungen. Im Gegensatz zu einem analogen Zeigerinstrument oder einem digitalen Multimeter stellt ein Oszilloskop den zeitlichen Verlauf der gemessenen Spannung grafisch dar. Die ursprünglichen analogen Oszilloskope funktionieren nach dem Prinzip der Braun schen Röhre. Bei den modernen digitalen Oszilloskopen, die im Praktikum verwendet werden, wird dieses Prinzip im Rechner nachgebildet. Gegenüber den Multimetern bietet das Oszilloskop einige Vorteile. So können vor allem Scheitelwerte û und Spitze-Spitze-Werte u ss sowie die Frequenz f bzw. Periodendauer T gleichzeitig gemessen werden. Der Hauptvorteil beim Oszilloskop ist jedoch die Visualisierung. So erhält der Betrachter einen Eindruck über den tatsächlichen Spannungsverlauf. Ströme können indirekt als Spannungsabfall an einem Messwiderstand oder mithilfe einer Stromzange gemessen werden. Um brauchbare Messergebnisse zu erhalten, ist es wichtig, einige Regeln zu beachten: - Das Signal sollte möglichst groß dargestellt werden und möglichst den ganzen Bildschirm ausnutzen. Es darf jedoch nicht abgeschnitten dargestellt werden. (vgl. Abbildung 1). - Zur Bestimmung der Frequenz f muss mindestens eine komplette Periodendauer T dargestellt werden. Abbildung 1: Günstige Darstellung eines Sinussignals auf dem Oszilloskop. Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-2

3 2. Messungen mit dem Oszilloskop Im Folgenden sind einige Messungen durchzuführen, um sich mit dem Oszilloskop als Messgerät vertraut zu machen. V Warum wird das Oszilloskop als Messgerät verwendet und nicht ein digitales Multimeter? Welche Vorteile hat das Oszilloskop? V Kann mit dem Oszilloskop Strom gemessen werden? Wenn ja, wie? Wenn nein, warum nicht? 2.1 Wechselsignal Einstellung am Oszilloskop Kopplung (Coupling) AC, Tastkopf (Probe) 1,00:1. Schalten Sie die Tastköpfe auf 1X. Verbinden Sie den Funktionsgenerator über eine Koaxialleitung mit dem Kanal 1 des Oszilloskops (vgl. Abbildung 2). Generator Oszilloskop CH 1 CH 2 TRIG Abbildung 2: Direktverbindung Funktionsgenerator mit Oszilloskop. Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-3

4 Stellen Sie am Generator ein Sinussignal mit einer Frequenz von 1,5 khz ein, die Dämpfung (Attenuation) auf 0 db und drehen Sie den Amplitudenregler (Amplitude) auf Mittelstellung. a) Stellen Sie nun das Signal möglichst optimal dar. b) Lesen Sie die Spannung u ss und die Periodendauer T ab. Hierzu können Sie die Cursor verwenden. Diese werden durch Cursors aktiviert. Die Verschiebung können Sie über den Drehknopf vornehmen. c) Geben Sie außerdem û und u eff an. Hierzu können Sie die Messfunktionen des Oszilloskops mit Meas aktivieren. d) Verändern Sie nun die Vertikal-Skalierung (y-skalierung, Spannungsachse) und die Horizontal-Skalierung (x-skalierung, Zeitachse), indem Sie die entsprechenden Drehknöpfe betätigen und wiederholen Sie die Messungen für u ss, û, u eff und T. Was stellen Sie fest? 1. Drehknopf für Spannungsskalierung Vertikal zwei Raststellungen nach rechts. Jetzt wieder Ausgangszustand herstellen. 2. Drehknopf für Zeitbasis Horizontal drei Raststellungen nach rechts. 2.2 Wechselsignal mit Gleichanteil Einstellung am Oszilloskop Kopplung (Coupling) DC (mit Hilfe der Taste 1). Stellen Sie das anliegende Signal wieder optimal dar. Nun wird dem Wechselsignal ein Gleichanteil beigefügt. Drücken Sie hierzu am Generator die Taste DC OFFSET und drehen Sie den Drehknopf solange nach rechts bis das Signal um ein Kästchen (Division, DIV) nach oben verschoben ist. Lesen Sie nun u ss und u eff ab. Nach der Messung den DC OFFSET wieder abschalten. Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-4

5 2.3 Messung mit zwei Kanälen Nehmen Sie jetzt die Aufbauplatte und löten Sie den bereit gelegten Widerstand R 2 = 10 kω ein. Der Widerstand R 1 = 27 kω ist bereits eingebaut. Schließen Sie nun zwei Tastköpfe am Oszilloskop an. Schließen Sie den Generator an und stellen Sie an diesem ein Sinussignal mit einer Frequenz von 1 khz ein. Drehen Sie bei einer Dämpfung von 0 db den Amplitudenregler auf Mittelstellung. Es sollen nun sowohl die Quellenspannung u 0 als auch die Spannungen an den einzelnen Widerständen (u R1, u R2 ) ermittelt werden. Da beide Masseklemmen auf Bezugspotential gelegt werden müssen, können Sie die Tastköpfe nur wie folgt anschließen: Generator Oszilloskop R 1 u R1 CH 1 CH 2 TRIG u 0 R 2 u R2 Abbildung 3: Messaufbau für ohmschen Spannungsteiler. Sie können nun zwei Werte für û 0 und uˆr 2 direkt ablesen. Geben Sie diese an. Um den Wert von uˆr 1 zu erhalten, gehen Sie in das Menü Math am Oszilloskop und wählen die Funktion Ch 1 Ch 2 aus. Geben Sie nun u ˆR 1 an. Darf diese Methode verwendet werden, falls der Widerstand R 2 durch eine Kapazität ersetzt wird? Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-5

6 2.4 Triggerpegel Verlassen Sie wieder das Menü Math und lassen Sie sich û 0 und u ˆR 2 anzeigen. Drehen Sie nun den Drehknopf Trigger Level immer weiter nach rechts, was stellen Sie fest? Das anliegende Signal muss den Triggerpegel erreichen, damit das Oszilloskop wiederholend messen kann. Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-6

7 II. Kondensator 3. Der Plattenkondensator V Berechnung eines RC-Netzwerks Berechnen Sie mittels komplexer Wechselstromrechnung bei folgendem Netzwerk die Spannung am Kondensator û C und geben Sie das Ergebnis nach Betrag und Phase an. Gegeben sind die Spannung u ˆ 0 = u0 cos( ω t) mit u ˆ0 = 50V, R 1 = 1kΩ, R 2 = 470Ω, C =1μF, f = 100Hz. R 1 u 0 u C C R 2 Abbildung 4: RC-Netzwerk Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-7

8 3.1 Bau des Kondensators Rollen Sie ca. 30 cm Teppichklebeband ab und fixieren Sie es (Klebeseite nach oben) mit Tesafilm an seinen Enden auf dem Arbeitstisch. Bringen Sie etwa in der Mitte einen Kupferstreifen zur späteren Kontaktierung an (Abb. 5a)). Abbildung 5a): Schematische Darstellung des Plattenkondensators, Klebeband als Isolation mit Kupferstreifen. Legen Sie einen Alustreifen (Abb. 5b)) darüber. Achten Sie darauf, dass dieser am Rand nicht übersteht und ganzflächig auf der Klebefolie blasenfrei haftet. Abbildung 5b): Schematische Darstellung des Plattenkondensators, 1 Lage Isolation, 1 Leiter. Notieren Sie die genauen Abmessungen der Alustreifen auf der nächsten Seite. Bringen Sie eine zweite Lage Teppichklebeband auf und entfernen Sie dann von dieser die Schutzfolie. Bringen Sie nun den zweiten Kupferkontaktstreifen an (Abb. 5c)). Die beiden Kontaktstreifen müssen so weit überstehen, dass sie später an die Kontakte der Vorrichtung (Abb. 6) angelötet werden können. Abbildung 5c): Schematische Darstellung des Plattenkondensators, 2 Lagen Isolation, 1 Leiter. Legen Sie nun den zweiten Alustreifen darüber. Achten Sie darauf, dass zwischen den Alufolien kein Kurzschluss entsteht (Abb. 5d)). Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-8

9 Abbildung 5d): Schematische Darstellung des Plattenkondensators, 2 Lagen Isolation, 2 Leiter. 3.2 Kapazitätsberechnung beim Plattenkondensator Abmessungen der Kondensatorplatten: Breite b = Länge l = Fläche A = Berechnen Sie aus der überdeckten Fläche A, dem Abstand zwischen den Alufolien d 0,18mm und ε r 2, 8 die Kapazität des Plattenkondensators C P. ε = 8, As Vm 3.3 Bestimmung der Kapazität aus einer Spannungsmessung Legen Sie den Kondensator auf die Grundplatte und löten Sie die Kupferkontakte an die beiden Kontaktösen (Abb. 6). Abbildung 6: Versuchsaufbau mit eingebautem Kondensator. Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-9

10 Bauen Sie den Messaufbau nach Abbildung 7 zusammen. Generator Oszilloskop R CH 1 CH 2 TRIG u 0 C P u C Abbildung 7: Messaufbau mit Kondensator. Schalten Sie beide Tastköpfe auf 1X. Die Masseanschlüsse der beiden Tastköpfe werden mit dem Bezugspotential, der Schaltungsmasse, verbunden. Stellen Sie bei beiden Kanälen Kopplung AC und Tastkopf 1,00:1 ein. Nach Verdrahtung des Messaufbaus werden an dem Generator folgende Werte eingestellt: Sinussignal, Frequenz Generatorspannung f = 2kHz = uˆ 20V u 0 ss 2 0 = Überprüfen Sie die richtige Einstellung der Generatorspannung durch Messung mit dem Oszilloskop. Messen Sie die Spitzen-Spitzen-Spannung am Kondensator und berechnen Sie aus der Kenntnis der beiden Spannungen u 0ss und u Css, der Frequenz f sowie dem Wert des Widerstandes R = 27 kω die Kapazität des Plattenkondensators. Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-10

11 4. Bau des Wickelkondensators Löten Sie die Verbindungen des Kondensators ab. Wickeln Sie Ihren Kondensator auf ein Rundholz (Abb. 8) und ziehen Sie dabei die Schutzfolie ab. Fixieren Sie den fertig aufgerollten Kondensator mit Tesafilm. Abbildung 8: Herstellung des Wickelkondensators. 4.1 Bestimmung der Kapazität beim Wickelkondensator Messen Sie jetzt mit dem Aufbau in Abb. 7 wieder die beiden Spannungen u 0ss und u Css und berechnen Sie daraus die Kapazität des Wickelkondensators. Vergleichen Sie den nun gemessenen Wert C W mit der Kapazität des Plattenkondensators C P und erklären Sie den Unterschied. Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-11

12 4.2 Bestimmung der Kapazität durch Messung der Phasenlage Als weitere Möglichkeit soll die Kapazität C W aus der Phasenverschiebung zwischen den beiden Spannungen u 0 ( t ) und u (t) C bestimmt werden. Geben Sie die Gleichung zur Berechnung der Kapazität aus der Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Spannungen an. Messen Sie die Zeitdifferenz zwischen den Nulldurchgängen der beiden Spannungen mit Hilfe der beiden Cursor und ermitteln Sie daraus die Phasenverschiebung ϕ ϕ 0 C. Die beiden Ergebnisse aus dem Verhältnis der Spannungsamplituden Kap. 2.1 und aus der Phasenverschiebung Kap. 2.2 sollten möglichst gut übereinstimmen, anderenfalls muss die Fehlerursache gesucht werden. 5. Zusammenfassung Fassen Sie die wesentlichen Erkenntnisse des Versuchs stichpunktartig zusammen. Versuch 1 Oszilloskop + Wickelkondensator 1-12

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